Водная батарея

Водная батарея — это электрическая батарея на водной основе используется раствор , в которой в качестве электролита . Водные батареи известны с 1860-х годов, они не обладают плотностью энергии и сроком службы, необходимыми для сетевых накопителей и электромобилей . ^{[ 1 ]} но считаются безопасными, надежными и недорогими по сравнению с литий-ионными . ^{[ 2 ]} До 2010-х годов у них также было преимущество в приложениях с высокой мощностью (например, в аккумуляторных электроинструментах ), но это было преодолено развитием литий-ионной химии. ^{[ 3 ]}

Коммерческая история

Свинцово -кислотный аккумулятор был изобретен Гастоном Планте в 1859 году, хотя для коммерциализации конструкции электролита с разбавленной серной кислотой потребовалось двадцать лет работы нескольких изобретателей. Еще через полвека в 1930-х годах появились современные клапанно-регулируемые («герметичные») аккумуляторы. ^{[ 1 ]}

Щелочные батареи впервые появились на рубеже 20-го века, когда никель-кадмиевые батареи были заменены никель-металлогидридными в 1980-х годах ( никель-водородные батареи были разработаны в 1970-х годах и до сих пор используются в спутниках ). ^{[ 1 ]}

В начале 2020-х годов водные батареи составляли половину рынка аккумуляторных батарей . ^{[ 1 ]}

Преимущества

По сравнению с литий-ионными аккумуляторами водные имеют следующие преимущества: ^{[ 2 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

безопасность и надежность связаны с негорючестью ( из-за высокого содержания воды; аккумулятор все равно может взорваться при перегреве), высокой устойчивостью к механическому неправильному обращению и устойчивостью к перезарядке (из-за кислородного цикла );
низкая стоимость основана на дешевом сырье ( серная кислота очень недорога по сравнению, скажем, с гексафторфосфатом лития ), производстве, не требующем бескислородной среды, минимуме электроники за счет присущей безопасности и надежности;
Высокая скорость реакции обеспечивает более быструю зарядку и разрядку и обеспечивает стабильность в температурном диапазоне.

Недостатки

По сравнению с литий-ионными аккумуляторами имеют следующие недостатки: ^{[ 6 ]}^{[ 4 ]}

узкое электрохимическое окно : вода начинает электролиз при потенциале 1,23 вольта . Хотя грамотный выбор материалов может расширить окно до 2,3 В, а использование электролита с высокой концентрацией (так называемого водно-солевого электролита) может расширить окно до 3 В. ^{[ 7 ]} на практике только свинцово-кислотные батареи достигают напряжения 2 В, а остальные производимые конструкции ограничены потенциалом чуть выше 1 В, что значительно ограничивает плотность энергии (литий-ионные элементы обычно выдают 3,3–3,9 В). Как объемная, так и массовая плотность энергии литий-ионных аккумуляторов в 2-3 раза лучше; ^{[ 8 ]}
вода, являющаяся агрессивным растворителем, вызывает сольватацию и диссоциацию компонентов батареи и может вызвать коррозию , что ограничивает выбор материалов и срок службы батареи;
Ресурс цикла на порядок ниже.

Исследовать

Водные батареи подлежат обширным исследованиям в 21 веке. ^{[ 5 ]} (при «поразительном» росте публикаций с 2015 г. ^{[ 4 ]}); Материальные инновации с начала века обеспечивают лучшую производительность по сравнению с «традиционными» водными батареями, что может привести к тому, что эти батареи станут спутником литий-ионных в области транспорта и хранения электроэнергии. ^{[ 6 ]}

Тахир и др. ^{[ 9 ]} выделить следующие направления исследований:

литий-ионная водная батарея (ЛИАБ). Первый прототип был выпущен в 1994 году;
натрий-ионная водная батарея (СИАБ);
калий-ионная водная батарея (ПИАБ);
цинк-ионная водная батарея (ЗИАБ);
магниево-ионный водный аккумулятор (МИАБ);
алюминий-ионная водная батарея (АИАБ).

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Лян и Яо 2022 , с. 110.
^ Перейти обратно: ^а ^б Лян и Яо 2022 , с. 111.
^ Пистолет 2013 , стр. 33–34.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Чао и др. 2020 , с. 1.
^ Перейти обратно: ^а ^б Тахир, Агарвал и Чока 2020 , с. 379.
^ Перейти обратно: ^а ^б Лян и Яо 2022 , с. 112.
^ Суо, Люмин; Бородин Олег; Гао, Тао; Ольгин, Марко; Ты, Джанет; Фань, Сюлин; Ло, Чао; Ван, Чуньшэн; Сюй, Кан (20 ноября 2015 г.). « Электролит «Вода в соли» позволяет проводить высоковольтные водные литий-ионные процессы». Наука . 350 (6263): 938–943. дои : 10.1126/science.aab1595 .
^ Пистолет 2013 , с. 33.
^ Тахир, Агарвал и Чока 2020 .

Источники

Лян, Яньлян; Яо, Ян (15 ноября 2022 г.). «Проектирование современных водных аккумуляторов». Материалы обзоров природы . 8 (2): 109–122. дои : 10.1038/s41578-022-00511-3 . eISSN 2058-8437 .
Чао, Дунлян; Чжоу, Ваньхай; Се, Фанси; Да, Чао; Ли, Хуан; Яронец, Метек; Цяо, Ши-Чжан (22 мая 2020 г.). «Дорожная карта для усовершенствованных водных батарей: от разработки материалов к применению» . Достижения науки . 6 (21). дои : 10.1126/sciadv.aba4098 . eISSN 2375-2548 . ПМЦ 7244306 . ПМИД 32494749 .
Тахир, Ченар А.; Агарвал, Чару; Чока, Левенте (13 апреля 2020 г.). «Достижения в области «зеленых» ионных батарей с использованием водных электролитов». Аккумуляторные батареи: история, прогресс и применение . Уайли. стр. 379–401. дои : 10.1002/9781119714774.ch16 .
Пистола, Г. (20 мая 2013 г.). «Портативные устройства: Аккумуляторы» . В Юргене Гарче; Крис К. Дайер; Патрик Т. Мозли; Земпачи Огуми; Дэвид Эй Джей Рэнд; Бруно Скросати (ред.). Энциклопедия электрохимических источников энергии . Ньюнес. п. 33. ISBN 978-0-444-52745-5 . OCLC 1136567377 .

[FOOTNOTELiangYao2022110-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Лян и Яо 2022 , с. 110.

[FOOTNOTELiangYao2022111-2] Перейти обратно: ^а ^б Лян и Яо 2022 , с. 111.

[FOOTNOTEPistola201333–34-3] Пистолет 2013 , стр. 33–34.

[FOOTNOTEChaoZhouXieYe20201-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с Чао и др. 2020 , с. 1.

[FOOTNOTETahirAgarwalCsóka2020379-5] Перейти обратно: ^а ^б Тахир, Агарвал и Чока 2020 , с. 379.

[FOOTNOTELiangYao2022112-6] Перейти обратно: ^а ^б Лян и Яо 2022 , с. 112.

[7] Суо, Люмин; Бородин Олег; Гао, Тао; Ольгин, Марко; Ты, Джанет; Фань, Сюлин; Ло, Чао; Ван, Чуньшэн; Сюй, Кан (20 ноября 2015 г.). « Электролит «Вода в соли» позволяет проводить высоковольтные водные литий-ионные процессы». Наука . 350 (6263): 938–943. дои : 10.1126/science.aab1595 .

[FOOTNOTEPistola201333-8] Пистолет 2013 , с. 33.

[FOOTNOTETahirAgarwalCsóka2020-9] Тахир, Агарвал и Чока 2020 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]